燃尽风率与贴壁风率对350 MW四角切圆锅炉高温腐蚀的影响

范景扬1,王 猛1,庞 龙1,彭志敏2,胡耀辉3

(1.内蒙古京能康巴什热电有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000;2.清华大学 能源与动力工程系,北京 100084;3.华北电力大学 动力工程系,河北 保定 071003)

摘 要：针对某电厂350 MW低氮锅炉水冷壁高温腐蚀问题,进行调整配风与增加贴壁风的模拟研究。分别模拟燃尽风率38%、33%、27%时炉膛内还原性气体CO、H2S与NOx浓度的变化关系,并模拟增加贴壁风对水冷壁附近还原性气体浓度的影响。结果表明,燃尽风率由38%降至33%,可在NOx生成量无明显增加的前提下使炉膛内还原性气体CO与H2S浓度降低20%,减缓水冷壁的高温腐蚀;将燃尽风率由38%降至27%,虽可增加主燃区氧气浓度,降低CO与H2S生成量,减缓水冷壁高温腐蚀,但会造成NOx浓度大幅增加。炉膛内高温腐蚀区域主要位于紧凑燃尽风UAP喷口与中位燃尽风SOFA3喷口之间,可在紧凑燃尽风UAP喷口两侧增加贴壁风。模拟结果显示增加与主气流旋向相同的贴壁风可降低水冷壁附近CO、H2S浓度且对流场影响较小。由于水冷壁附近CO浓度较高,双侧贴壁风流量更大,对降低水冷壁附近CO效果更好,双侧贴壁风对高温腐蚀区域覆盖面积更大。而水冷壁附近H2S浓度较低,单侧贴壁风与双侧贴壁风对于降低水冷壁H2S并无明显区别,但双侧贴壁风会扰乱流场分布,不利于煤粉燃烧。

关键词：高温腐蚀;燃烧优化;二次风率;燃尽风率;贴壁风

0 引 言

近年来,电厂普遍采用基于空气分级与燃料分级的低氮燃烧技术,低氮燃烧技术虽可在煤粉燃烧的初始阶段抑制NOx生成,但由于主燃区处于严重缺氧状态,造成主燃区还原性气体CO与H2S浓度增加,易出现水冷壁高温腐蚀情况,当水冷壁壁厚变薄、强度降低时,造成水冷壁爆管等危险工况,影响机组安全运行[1-3]。

目前解决水冷壁高温腐蚀的方式主要有改变配风和增加贴壁风2种。薛晓垒等[4]针对某600 MW锅炉水冷壁高温腐蚀,通过试验发现降低燃尽风风门开度、提高运行氧量会降低水冷壁附近还原性气体浓度,但降幅不大,若关闭中层磨煤机锅炉水冷壁区域还原性气体体积分数会大幅降低。谢召祥等[5]研究了某330 MW四角切圆贫煤锅炉分离燃尽风率对CO与H2S生成量的影响,结果表明随分离燃尽风率增大,炉膛出口CO体积分数升高、 NOx浓度降低,减小分离燃尽风率有利于抑制炉内高温腐蚀和结渣。张健等[6]研究某四角切圆锅炉燃尽风率对NOx与CO分布的影响,发现增加燃尽风率会降低炉膛出口NOx浓度、增加主燃区CO浓度,但采用高速燃尽风会在炉内形成大回流区,增加燃尽区氧气浓度及停留时间,促进CO燃尽,保证NOx与CO同时有效控制。李偲等[7]采用数值模拟研究某1 000 MW双切圆锅炉贴壁风率对炉膛内部气体组分分布及炉膛出口烟气参数的影响,结果表明总贴壁风率1.5%时即可有效减缓水冷壁高温腐蚀,同时不会增加炉膛出口NOx浓度。冯强等[8]研究了四角切圆锅炉炉膛内H2S浓度随负荷的变化规律,并比较了不同贴壁风风口形状对H2S浓度的影响,结果表明,燃烧器附近水冷壁区域H2S浓度随锅炉负荷增加而增加,且矩形喷口布置的贴壁风扩散度好,同等截面积下纵向覆盖范围更宽,能实现重点区域全覆盖。万中平等[9]在某300 MW四角切圆锅炉BC层二次风室与OFA风室两侧增加贴壁风喷口,发现关闭与主气流旋转方向相反的贴壁风,适当增加与主气流旋转方向相同的贴壁风风速,能更好减缓水冷壁高温腐蚀。

目前针对四角切圆锅炉高温腐蚀的研究主要集中在常规燃烧系统,鲜见低氮燃烧系统四角切圆锅炉水冷壁高温腐蚀情况研究。笔者以京能某电厂350 MW超临界燃煤机组为研究对象,通过数值模拟研究改变配风方式及加装贴壁风对炉内温度场、还原性气体CO、H2S及NOx浓度的影响,探索减缓水冷壁高温腐蚀的方法[10-11]。

1 研究对象

京能某350 MW(1 187 t/h)超临界燃煤机组,锅炉采用四角切圆的燃烧方式,锅炉深14 094 mm,宽14 904 mm,高度58 100 mm。锅炉设计额定主蒸汽温度571 ℃,再热蒸汽入口温度325 ℃,出口温度569 ℃,锅炉配备5台中速磨煤机、冷一次风机、正压直吹式制粉系统,煤粉细度R90=23%。锅炉采用低氮燃烧系统,主燃区每个角布置3个钝体燃烧器、2个等离子燃烧器,燃尽风分为中位燃尽风与高位燃尽风,每个角配有6个燃尽风喷口以强化空气分级,降低NOx生成量。对锅炉检修发现锅炉还原区水冷壁出现严重高温腐蚀,高温腐蚀区域主要位于分离燃尽风UAP喷口与中位燃尽风SOFA3喷口之间。因此在紧凑燃尽风UAP喷口两侧加装贴壁风喷口,相比传统侧墙布置贴壁风的方式,此种布置方式无需大面积更换水冷壁管道,且贴壁风与二次风共用一个风箱,施工量较小。贴壁风沿壁面方向射入炉膛,可有效降低水冷壁附近CO与H2S浓度,锅炉燃烧系统及贴壁风布置方式如图1,锅炉主要运行参数见表1,煤质分析见表2。

表1 BMCR工况锅炉运行参数
Table 1 Boiler operating parameters under BMCR condition

表2 模拟值与实际测量值对比
Table 2 Comparison of simulated value and actual measured value

图1 锅炉燃烧系统及贴壁风布置方式示意
Fig.1 Layout of boiler combustion system and near-wall air system

2 数学模型和计算方法

2.1 数学模型

针对四角切圆锅炉流动及燃烧特点,采用带旋流修正的RNG k-ε模拟气相湍流流动,采用考虑煤粉辐射及散射作用的P-1模型模拟炉膛内辐射换热,煤粉颗粒体积较小,因此采用离散相模型描述煤粉在炉膛内运动,由于需模拟多种组分在炉膛内分布,因此采用混合分数-概率密度(PDF)模拟气相湍流燃烧[12]。煤粉燃烧可分为挥发分析出和焦炭燃烧2部分,选用双平行竞争反应模型模拟挥发分析出,选用动力/扩散控制燃烧模型模拟焦炭燃烧,对NOx计算采用后处理方式。选用Simple算法对离散方程组的速度和压力进行耦合求解[13-15]。

2.2 网格划分及网格无关性验证

根据锅炉实际尺寸建立模型,采用Gambit软件对锅炉进行网格划分,为提高网格将锅炉划分为冷灰斗区域、燃烧器下部区域、燃烧器区域、燃烧器上部区域和顶部换热器区域,锅炉全部采用六面体网格。由于煤粉燃烧主要集中在燃烧器区域,此区域内温度、压力、速度等参数变化剧烈,因此对燃烧器区域网格进行加密。为防止因变量在垂直于流场流动方向上存在非零梯度而出现伪扩散现象,划分燃烧器区域使网格方向与流场方向基本一致[16-17]。通过网格无关性验证,确定网格数量在220万个,锅炉网格划分如图2所示,网格无关性验证如图3所示。

图2 炉膛网格划分
Fig.2 Grid division of boiler furnace

图3 网格无关性验证
Fig.3 Grid independence verification

2.3 模拟结果验证

将BMCR工况下炉膛出口烟温度、氧气浓度及选择性催化还原系统(SCR)入口NOx浓度测量值与模拟结果进行对比,结果表明数值模拟得到的炉膛出口烟温与实际测量值误差为4.5%,炉膛出口氧气浓度与实际测量值误差为13.6%,炉膛出口烟气中NOx浓度与SCR入口实际测量值误差为7%,因此认为数值模拟结果基本可反映炉膛内温度分布和组分分布。

3 调整配风对炉内温度及组分的影响

3.1 燃尽风率对温度的影响

燃尽风率27%、33%、38%时炉膛中心截面的温度分布如图4所示(Y为沿深度方向的距离)。由图4可以看出,改变燃尽风率与二次风率时,炉膛中心截面温度变化主要集中在主燃区,冷灰斗区域及燃尽风上方区域温度变化不大。燃尽风率27%、二次风率53%时,主燃区有大片区域温度1 900 K以上,燃烧器出口区域最高温度达2 000 K,此时主燃区热力型NOx生成量随温度升高急剧增加。燃尽风率增至33%、二次风率降至47%时,炉膛主燃区温度降低,仅燃烧器出口区域温度在1 900 K以上。燃尽风率增至38%、二次风率降至42%时,炉膛中心截面温度均在1 900 K以下,热力型NOx生成量降低,炉膛主燃区处于严重缺氧状态,还原性气体浓度比较高,在还原性气氛下燃料型NOx生成量下降。增加燃尽风率会降低主燃区温度、抑制NOx生成,但是会同时造成主燃区还原性气体浓度升高,容易出现高温腐蚀现象。

图4 Y=6.7 m截面温度分布
Fig.4 Temperature distribution of Y=6.7 m section

3.2 燃尽风率对炉膛组分的影响

炉膛中心截面CO物质的量浓度分布如图5所示,沿炉膛高度方向CO物质的量浓度分布如图6所示。可知CO主要集中在主燃区及燃烧器出口附近,炉膛内CO物质的量浓度主要取决于挥发分和焦炭燃烧时CO生成速率和CO氧化速率,焦炭燃烧生成CO过程为复相反应,挥发分燃烧生成CO及CO氧化过程为均相反应,由于复相反应的反应速率远大于均相反应,因此炉膛内CO物质的量浓度主要由挥发分燃烧时CO生成速率及CO氧化速率决定。由于炉膛主燃区温度较高,CO燃烧为扩散动力控制过程[18],O2向煤粉表面的扩散速率远小于CO均相反应速率,因此锅炉主燃区CO浓度主要受O2浓度影响。结合图6可知,燃尽风率由38%降至27%,同时二次风率由42%增至53%时,炉膛主燃区氧气含量增加,CO物质的量浓度下降约40%,但同时主燃区温度升高、还原性气氛减弱造成NOx生成量明显增加。

图5 Y=6.7 m截面CO物质的量浓度分布
Fig.5 CO molar concentration distribution at Y=6.7 m section

图6 沿炉膛高度CO物质的量浓度分布
Fig.6 CO molar concentration distribution along furnace height

炉膛中心截面H2S物质的量浓度分布如图7所示,沿炉膛高度方向H2S物质的量分布如图8所示。可知H2S主要分布于炉膛15～30 m区域,与CO分布呈正相关。当燃尽风率较高且二次风率降低时冷灰斗区域H2S浓度明显增加,由于采用低氮燃烧技术托低风不足,部分下层煤粉未完全燃尽即落入冷灰斗,造成冷灰斗区域H2S浓度升高,但由于冷灰斗区域温度较低,一般不会出现严重高温腐蚀。15～30 m区域H2S主要集中在炉膛四周水冷壁附近。结合图8可知,H2S物质的量浓度随燃尽风率变化剧烈,将燃尽风率由38%降至27%,同时将二次风率由42%增至53%,15～30 m区域H2S物质的量浓度下降约30%,冷灰斗区域H2S基本消失。主要原因为主燃区O2物质的量浓度增加,煤粉燃烧更加完全,H2S与O2反应生成SO2,使H2S物质的量浓度降低。

图7 Y=6.7 m截面H2S物质的量浓度分布
Fig.7 H2S molar concentration distribution at Y=6.7 m section

图8 沿炉膛高度H2S物质的量浓度分布
Fig.8 H2S molar concentration distribution along furnace height

沿炉膛高度方向O2物质的量浓度分布如图9所示,沿炉膛高度方向NOx物质的量浓度分布如图10所示。可知二次风率上升、燃尽风率下降时,主燃区烟气中O2物质的量浓度略升高,但O2物质的量浓度保持在1%左右。由于主燃区煤粉燃烧剧烈,需消耗大量O2,即使二次风流量增加也会迅速消耗。燃尽风率由38%降至27%,同时将二次风率由42%增至53%,主燃区还原性气体CO与H2S下降,但由于主燃区温度及O2物质的量浓度上升、还原性气氛减弱,造成NOx物质的量浓度增加约20%。若将燃尽风率由38%降至33%,二次风率由42%增至47%,适当增加主燃区O2物质的量浓度,主燃区CO与H2S物质的量浓度下降约20%,主燃区保持适当的还原性气氛可抑制燃料型NOx生成,同时主燃区温度上升不大,造成热力型NOx生成量增加不明显[19]。建议电厂实际运行中采用燃尽风率33%、二次风率47%的配风方式。

图9 沿炉膛高度O2物质的量浓度分布
Fig.9 O2molar concentration distribution along furnace height

图10 沿炉膛高度NO物质的量浓度分布
Fig.10 NO molar concentration distribution along the furnace height

4 贴壁风对高温腐蚀的影响

4.1 贴壁风对贴壁风喷口层流场及气体组分的影响

为研究贴壁风对流场及组分分布的影响,对比3种工况,工况1为未加装贴壁风;工况2为关闭与主气流旋向相反的贴壁风,仅通入与主气流旋向相同的贴壁风;工况3为加装双侧贴壁风。3种工况下贴壁风喷口层流场及H2S物质的量浓度分布如图11、12所示。工况1无贴壁风时气流仅在二次风喷口喷出,气流可在炉膛内形成良好的切圆分布,二次风切圆方向成顺时针方向,水冷壁附近气流速度较小,O2不足,煤粉不完全燃烧,造成水冷壁附近H2S物质的量浓度较高,易出现水冷壁高温腐蚀现象。工况2通入与主气流旋向相同的贴壁风,水冷壁壁面附近气体流动速度增加,气流在壁面附近的湍流度增加,贴壁风中包含大量O2,水冷壁附近还原性气体CO、H2S与O2反应生成CO2与SO2,使水冷壁附近还原性气氛减弱,减缓水冷壁的高温腐蚀。但贴壁风使二次风两端压差降低,造成二次风卷吸高温烟气能力降低,二次风刚度降低,不利于二次风成切圆分布。工况3在UAP喷口两侧均通入贴壁风,由于一侧贴壁风方向与主气旋向相反,该侧贴壁风射程较短。由图12(b)、12(c)可知,通入双侧贴壁风与仅通入与主气流旋向相同的贴壁风对降低壁面附近H2S效果并无明显区别,与主气流旋向相同的贴壁风起主要作用,增加双侧燃尽风造成主气流两端压差进一步降低,二次风刚度进一步下降,扰乱贴UAP喷口层流场分布,不利于煤粉燃烧。

图11 贴壁风喷口层流场分布
Fig.11 Distribution of flow field in the near-wall air nozzle layer

图12 贴壁风喷口层H2S物质的量浓度分布
Fig.12 H2S molar concentration distribution in the nozzle layer

4.2 贴壁风对水冷壁附近气体组分的影响

3种工况下水冷壁壁面CO与H2S分布如图13、14所示,可知未加装贴壁风时还原性气体CO与H2S主要位于紧凑燃尽风UAP喷口与中位燃尽风SOFA3喷口之间,现场检修时发现高温腐蚀区域基本一致,此区域内温度较高且缺氧严重易出现高温腐蚀。加入与主气流旋向相同的贴壁风后,紧凑燃尽风UAP喷口与中位燃尽风SOFA3喷口之间区域CO与H2S浓度明显降低。由于H2S体积分数仅0.1%,少量O2即可降低水冷壁附近H2S浓度,仅加入与切圆旋向相同的贴壁风即可降低高温腐蚀区域H2S浓度。因此单侧贴壁风与双侧贴壁风对于降低水冷壁H2S并无明显区别。而水冷壁附近CO浓度较高需更多O2与CO反应。双侧贴壁风流量更大,覆盖范围比单侧贴壁风广,对于降低水冷壁附近CO浓度效果更显著。但双侧燃尽风不利于流场分布及煤粉燃烧。

图13 贴壁风对水冷壁壁面CO物质的量浓度的影响
Fig.13 Effect of near-wall air on CO molar concentration on water wall

图14 贴壁风对水冷壁壁面H2S物质的量浓度的影响
Fig.14 Effect of near-wall air on H2S molar concentration on water wall

5 结 论

1)对于低氮锅炉可通过降低燃尽风率降低炉膛内CO、H2S浓度。燃尽风率由38%降至27%、二次风率由42%增至53%,会降低主燃区CO、H2S浓度,但主燃区温度升高,NOx生成量增加。而燃尽风率由38%降至33%时、二次风率由42%增至47%,可在NOx生成量无明显增加的前提下将炉膛内还原性气体CO与H2S浓度降低20%。

2)在紧凑燃尽风UAP喷口层仅通入与切圆旋向相同的贴壁风可降低该层水冷壁附近还原性气体CO、H2S浓度,且对流场影响较小。而通入双侧贴壁风对降低该层H2S浓度与仅通入与切圆旋向相同的贴壁风并无明显区别,但通入双侧贴壁风会扰乱流场分布,不利于煤粉燃烧。

3)双侧贴壁风对水冷壁的覆盖范围大于单侧燃尽风,由于水冷壁附近CO浓度较高,双侧贴壁风流量更大,可对高温腐蚀区域全覆盖,对降低水冷壁附近CO效果更好。而水冷壁附近H2S浓度较低,单侧贴壁风与双侧贴壁风对于降低水冷壁H2S并无明显区别。

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Effect of burnout air rate and wall air on high temperature corrosion of water wall of 350 MW tangentially fired boiler

FAN Jingyang1,WANG Meng1,PANG Long1,PENG Zhimin2,HU Yaohui3

(1.Neimenggu Kangbashi Thermal Power Co.,Ltd.,Ordos 017000,China;2.Department of Energy and Power Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084,China;3.Department of Power Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Abstract：Aiming at the high temperature corrosion problem of the water wall of a 350 MW low nitrogen boiler in a power plant, the simulation study was carried out to adjust the air distribution and increasing near-wall air . The relationship between the concentration of reducing gases CO, H2S and NOx in the furnace was simulated when the burn-out air rate was 38%, 33% and 27% respectively, and the effect of increasing the wall air on the concentration of reducing gases near the water wall was simulated. The results show that the burn-out air rate is reduced from 38% to 33%, which can reduce the concentration of reducing gases CO and H2S in the furnace by 20% without significantly increasing the amount of NOx, and slow down the high-temperature corrosion of the water wall. Reducing the burn-out air rate from 38% to 27% can increase the oxygen concentration in the main combustion zone, reduce the production of CO and H2S, and slow down the high-temperature corrosion of the water wall, but the NOxconcentration will increase significantly. The high-temperature corrosion area in the furnace is mainly located between the UAP nozzle of the compact burnout air and the SOFA3 nozzle of the intermediate burnout air. The near-wall air can be added on both sides of the UAP nozzle of the compact burnout air. The simulation results show that the concentration of CO and H2S near the water wall can be reduced by increasing the near-wall wind with the same rotation direction as the main flow, and there is the small effect on the flow field. Due to the high concentration of CO near the water wall, the flow of near-wall air on both sides is larger, which has better effect on reducing CO near the water wall. The coverage area of near-wall air on both sides is larger for high-temperature corrosion area, while the concentration of H2S near the water wall is lower. There is no obvious difference between the single-side near-wall air and the double-side near-wall air in reducing the H2S of the water wall, but the double-side near-wall air will disturb the distribution of the flow field, which is not conducive to pulverized coal combustion.

Key words：high temperature corrosion;combustion optimization;secondary air rate;burnout air rate;near-all wind

中图分类号：TE662;S216

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2023)02-0172-08

收稿日期：2022-03-31;

责任编辑:白娅娜

DOI：10.13226/j.issn.1006-6772.22033103

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基金项目：国家重点研发计划资助项目(2019YFB2006002)

作者简介：范景扬(1988—),男,内蒙古鄂尔多斯人,工程师。E-mail:kbsfanjingyang@163.com

通讯作者:彭志敏(1981—),男,安徽安庆人,副研究员,博士。E-mail:apspect@tsinghua.edu.cn

引用格式：范景扬,王猛,庞龙,等.燃尽风率与贴壁风率对350 MW四角切圆锅炉高温腐蚀的影响[J].洁净煤技术,2023,29(2):172-179.

FAN Jingyang,WANG Meng,PANG Long,et al.Effect of burnout air rate and wall air on high temperature corrosion of water wall of 350 MW tangentially fired boiler[J].Clean Coal Technology,2023,29(2):172-179.